Optimal Sensor Placement with Adaptive Constraints for Nuclear Digital Twins

要約

原子炉の過酷な運転条件と物理的制約を考慮すると、原子力アプリケーションでは物理的資産に多数のセンサーを装備する余裕はありません。
したがって、原子炉流れ場の再構築と核デジタルツインの作成を可能にするために、所定の空間的制限内でセンサーの配置を慎重に決定することが重要です。
所定のセンサーの位置、反応器内の制限エリア、特定の領域に割り当てられる固定数のセンサー、またはセンサーを互いに指定された距離に配置するなど、さまざまな設計上の考慮事項が課せられます。
私たちは、再構成エラーを最小限に抑えることを目的として、センサー配置の最適化手順に制約を統合するデータ駆動型の手法を開発します。
私たちのアプローチでは、ユーザー定義の制約を遵守しながら、グリッド上のセンサーの位置を最適化できる貪欲なアルゴリズムを採用しています。
ランダムに生成された状態空間システムに対して特定の数のセンサーを選択するために考えられるすべての構成を計算することにより、アルゴリズムがほぼ最適であることを実証します。
この研究では、アイダホ州の過渡炉試験施設 (TREAT) の中性子効果を模倣するために電気的に加熱されるアウトオブパイル試験および計装過渡水照射システム (OPTI-TWIST) プロトタイプ容器でアルゴリズムが実証されています。
国立研究所 (INL)。
結果として得られる OPTI-TWIST 内の温度のセンサーベースの再構成は誤差を最小限に抑え、ノイズによる不確実性に対する確率的な限界を提供し、最終的にデジタルツインと実験施設間の通信に使用されます。

要約(オリジナル)

Given harsh operating conditions and physical constraints in reactors, nuclear applications cannot afford to equip the physical asset with a large array of sensors. Therefore, it is crucial to carefully determine the placement of sensors within the given spatial limitations, enabling the reconstruction of reactor flow fields and the creation of nuclear digital twins. Various design considerations are imposed, such as predetermined sensor locations, restricted areas within the reactor, a fixed number of sensors allocated to a specific region, or sensors positioned at a designated distance from one another. We develop a data-driven technique that integrates constraints into an optimization procedure for sensor placement, aiming to minimize reconstruction errors. Our approach employs a greedy algorithm that can optimize sensor locations on a grid, adhering to user-defined constraints. We demonstrate the near optimality of our algorithm by computing all possible configurations for selecting a certain number of sensors for a randomly generated state space system. In this work, the algorithm is demonstrated on the Out-of-Pile Testing and Instrumentation Transient Water Irradiation System (OPTI-TWIST) prototype vessel, which is electrically heated to mimic the neutronics effect of the Transient Reactor Test facility (TREAT) at Idaho National Laboratory (INL). The resulting sensor-based reconstruction of temperature within the OPTI-TWIST minimizes error, provides probabilistic bounds for noise-induced uncertainty and will finally be used for communication between the digital twin and experimental facility.

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